土壤溶解有机碳在碳循环中的作用

土壤溶解有机碳在碳循环中的作用

土壤碳库是地球生态系统中最大的碳库，为有机碳库的三倍，地球生物量的四倍。这在维持世界碳平衡中发挥着重要作用。土壤溶解有机碳（isolvenorcchain，文档）是有机碳的活性成分，具有易流动、易分解、生物活性等特点。不仅可以被矿质土壤吸附，还可以随着土壤水分的转移进入水环境，参与更多的碳循环。随着世界温室效应的日益增长，特别是近年来，沉积物和河流中的碳含量显著增加。土壤科学、生态和环境科学研究院越来越重视土壤科学。目前，我国氮、磷、土壤侵蚀、气候变化等因素的影响，以及种植制度北缘和大气降水分布的变化，以及城市化进程中对大量耕地和土地秩序的影响，对中国的土壤有机碳和秘书长的变化以及碳交换功能的行使产生了深远影响。这要求我们加深对土壤中有机碳和英文的了解。土壤DOC含量一般不超过土壤有机碳总量的2%,但与较稳定的腐殖质组分相比,土壤DOC的降解速率较快,并且对季节变化、土壤性质、施肥及土地利用方式等响应较快,是土壤有机碳矿化的中间环节和森林土壤碳损失的重要途径,其含量和性质能够反映土壤有机碳的稳定性,在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用.因此,本文从全球碳循环的角度,对土壤DOC在土壤碳素固持与温室气体释放中的作用及土壤DOC的主要内在和外在影响因素进行简要综述和探讨,并对土壤DOC研究进行初步展望.1土壤hpva的分析方法土壤DOC主要指土壤溶液中的溶解性有机碳组分或经过水、盐溶液等浸提剂获得的土壤中溶解性有机碳组分.土壤腐殖质、植物残体、根系分泌物及微生物的代谢产物是土壤DOC的重要来源.按分子量大小,土壤DOC分为小分子有机酸、糖类、氨基酸等和大分子多糖、多肽等腐殖质组分;按化合物的极性和电荷特性分为亲水酸性、中性和碱性以及疏水酸性、中性和碱性6种组分.土壤DOC的获取方法主要有破坏性采样法和非破坏性采样法.破坏性采样法是将土壤样品从田间原位取出,然后在实验室内获取土壤DOC样品,主要包括离心法、置换柱法、压榨法和提取法.非破坏性采样法指对土壤溶液进行田间原位采集,可以对作物生育期内土壤溶液中DOC进行动态监测,主要包括测渗计法(lysimeter)和吸杯法(suctioncup),负压渗漏法或零压渗漏法是抽取土壤溶液的常用方法.土壤DOC的测定主要侧重于结构测定和浓度测定.结构测定主要采用XAD离子交换树脂、荧光光谱、紫外光谱、红外光谱和核磁共振等手段,分析DOC的化学组成及其所包含的化学基团种类.浓度分析主要包括湿烧法和干烧法,湿烧法主要采用过硫酸钾氧化法,而干烧法指高温(>700℃)氧化法.通过浓度分析量化土壤DOC,进而比较不同生态系统的DOC特性以表征其在碳循环中的作用.2土壤固碳2.1固定碳量与碳库的关系DOC随土壤水分由表层向下淋洗而被下层矿质土壤所吸附的过程是矿质土壤固碳的一个重要途径,22%~25%的矿质土壤碳源于DOC的固定.裸地、割草地、荒地和旱作耕地的下层土壤DOC占有机碳的比例均高于表层土壤,这与DOC随土壤水分迁移而被土壤固持密不可分.不同生态系统土壤DOC对碳库的累积作用不同,林地土壤40cm土层以下以DOC形式被土壤固定的碳量占该层土壤每年碳输入量的22%,而牧草地20cm土层以下仅为2%;林地1m内土层20%的碳是由DOC运移和固定所造成,相应的牧草地只有9%.被吸附的DOC如果矿化较快,那么DOC对碳库的累积作用就会减小,但有证据表明,被吸附的DOC具有较长的残留时间:首先,这可能与矿质土壤溶液中DOC的生物有效性较低有关;其次,被吸附的DOC可能是疏水组分,具有较高的稳定性;第三,被吸附DOC的矿化速率随矿质土壤吸附时间的延长而逐渐降低.有报道显示,1年培养期内灰化土Oi层和Oa层DOC的矿化率下降幅度达23%~64%.因此,矿质土壤DOC的吸附过程有利于有机碳的累积,特别是对下层土壤有机碳的累积可发挥更大作用,DOC在增加矿质土壤碳储量方面具有重要意义.DOC随土壤水分下渗而进入水体,可导致土壤碳库的损失.特别是近年来泥炭地集水区DOC浓度明显升高,例如,美国北部溪水中DOC浓度在1970—1990年的监测期内增加30%~80%,英国198个湖区、水库和河流在1961—2002年的监测期内DOC浓度明显增加的监测区比例达77%.因此,应加强合理的土地管理措施,降低土壤DOC的淋洗损失,更好地发挥土壤的碳汇功能.2.2对土壤重金属含量的影响植物光合作用产生的30%~60%净光合产物分布于植物的地下部分,其中40%~90%以根系分泌物、植物粘液、腐烂根系的形式进入土壤.这种通过根边缘细胞的脱落、粘液层粘液的分泌、根际可溶物的被动扩散以及根表皮、皮层细胞的衰老等方式,将根部的有机、无机化合物释放到周围土壤的过程称为根系碳淀积,它是土壤有机碳形成的重要来源.植物根系分泌的有机物主要有糖、氨基酸、有机酸等,它们都是土壤DOC的重要组成部分,且DOC浓度与根际生物量具有很好的正相关关系.有研究表明,种植水稻的土壤溶液中DOC浓度是不种植水稻的4倍多;在植物生长旺盛的春、夏季,针叶林和阔叶林根圈土壤(距主根50cm以内)DOC含量高于非根圈土壤13%~27%.可见,根际区根系淀积的有机分泌物明显影响DOC含量.同位素脉冲技术的运用进一步定量了根系对土壤有机碳的贡献.黑麦草根系在试验8d后输入土壤的碳量占14C同化量的8.2%~27.7%,生长结束时黑麦草根系输入到地下的碳量达50~60gC·m-2;冬小麦生长期结束后通过根系进入土壤的碳量占13CO2的1%~2.4%,且整个生育期内冬小麦植株输入到土壤的碳量为34~51.4mgC·株-1.但植物通过根系淀积有机小分子活化土壤矿质养分的同时,也能活化土壤原有的有机碳,土壤原有的有机碳受根系淀积有机碳的影响有多大,它们又有多少能通过DOC的微生物同化重新固定到土壤有机碳中,目前尚不清楚.根际本身是一个有机物转化十分活跃的区域,土壤DOC在“土壤-微生物-植物”的“根际对话”中发挥的作用有多大,有多少进入生物再转化,又有多少被土壤固持均有待进一步深入研究.3土壤和温室的气体排放3.1土壤释放cod的季节动态土壤呼吸释放的CO2主要由土壤微生物和植物根系呼吸而产生.土壤DOC作为微生物易于吸收利用的有机碳源,其含量高低直接影响微生物活性;另外,由于根系分泌物是土壤DOC的来源之一,植物根系呼吸影响根系分泌物的产生量.可见,土壤DOC的产生与土壤呼吸过程密切相关.DOC含量的差异可引起土壤释放CO2量的不同.发育于第三纪红色砂岩、第四纪红色粘土和花岗岩的砂壤土、粘土和砂土释放CO2通量存在明显季节性差异,55.8%~84.4%的可变性来自于DOC,其中每个季节3种土壤释放CO2通量差异亦显著,23.8%~33.6%的可变性来自于DOC.农田和森林土壤释放CO2量与土壤DOC的初始含量具有极显著线性相关关系,有机碳矿化速率的动态变化与DOC含量的变化趋势一致.山榉林土壤DOC的损失与土壤呼吸产生的CO2量亦呈极显著线性相关(r=0.79,P<0.001).这说明土壤DOC是土壤释放CO2的重要贡献者,其含量控制土壤释放CO2量,因此DOC含量可作为衡量土壤释放CO2量的一个重要指标.为了更好地探讨DOC在土壤有机碳矿化中的作用,韩成卫等通过去除DOC研究了红壤水稻土有机碳的矿化状况,发现去除DOC后土壤有机碳的累积矿化量平均下降15.4%.添加植物残体后,牧草地表层土壤释放的CO2量与DOC的变化量呈极显著正相关关系(r=0.96,P<0.01),培养期内土壤释放的CO2主要归咎于DOC的损失.14C同位素标记试验进一步证实,在培养初期土壤释放的CO2主要来自标记底物的DOC.为了减少土壤释放CO2量,应充分发挥土壤微生物对土壤DOC的同化功能,促进土壤DOC向有机碳的转化和累积.3.2土壤中ch4的排放CH4是重要的温室气体,其温室效应是CO2的25倍.湿地是CH4的重要排放源,占全球CH4排放通量的比例达20%左右.小叶樟湿地底层土壤CH4产生量大于表层,其原因主要是由表层淋溶到底层的DOC为产CH4菌提供了能源.毛果苔草沼泽湿地孔隙水中CH4浓度的剖面分布特征与DOC一致,孔隙水CH4浓度与DOC浓度呈显著正相关.也有研究表明,苔藓泥炭沼泽土DOC含量虽然为泥炭沼泽土的2倍,但泥炭沼泽土产CH4量却明显高于苔藓沼泽土.这是因为苔藓泥炭沼泽土中有机物质分解较快,分解产生有机酸的比例较大,而有机酸可抑制CH4的生成.这说明不仅DOC的数量,而且DOC的质量在控制CH4的产生中都发挥着重要作用.淹水稻田排放的CH4量占全球人类活动排放量的15%~20%.免耕处理能显著降低晚稻土壤CH4的排放量.其原因是免耕后土壤有机碳量增加,移栽早稻前的耕作犁地活动使产CH4微生物所需的DOC量比较充足,但随着早稻的生长,DOC含量降低,限制晚稻种植期内产CH4微生物的能量供应,从而抑制CH4的排放.稻鱼及稻鸭共生系统中,CH4排放的季节性变化与土壤DOC浓度的变化保持一致,相关分析表明,CH4排放量与DOC浓度呈显著正相关关系,且CH4排放量与DOC浓度的相关度明显高于土壤微生物生物量碳和总有机质.因此,为了降低稻田土壤释放的CH4量,应加强合理的耕作管理措施,控制土壤DOC的产生量.但DOC与CH4排放的相互作用仍有待深入研究,以期从机理方面阐明DOC如何控制CH4的排放.4其他基本因素对土壤不同作用的影响土壤DOC能影响土壤微生物活性,平衡土壤有机碳库从可溶性到固态的变化,反映土壤有机碳的组成.但是,土壤DOC本身是活性较高的土壤有机碳,它易受土壤自身性质、环境因素和人为活动的变化而发生明显改变,如土壤pH、土壤水分、气候变化、氮肥施用、种植制度和土地开垦等.而以上这些因素都是我国在保持经济快速发展和保障粮食需求时出现和面临的现实问题,并日益受到关注,因此,主要阐述上述因子对土壤DOC的影响及作用机制.4.1土壤类型4.1.1不同ph对森林土壤符合的吸附特性的影响因素,主要通过化学和生物学过程来实现.有研究认为,pH为4.5~5.0时,土壤对DOC的吸附量最大,在较高或较低pH下,DOC的吸附量都有所下降.添加石灰后森林土壤DOC的淋洗量明显升高,这主要是因为高pH条件下土壤中含铁氧化物及氢氧化物的表面正电荷减少,对DOC的吸附能力减弱.相关分析表明,土壤DOC含量与pH呈负相关关系,低pH条件下土壤DOC含量增加的主要原因如下:1)低pH可降低土壤微生物数量和活性;2)低pH可增加土壤DOC与土壤位点的结合,但经过提取过程可以释放出来;3)低pH可降低DOC的质量,如多酚含量增大,从而降低DOC的生物有效性;4)低pH促使DOC与铝离子络合,增加DOC的拮抗力.4.1.2干法交替对土壤可以提高土壤效率的影响土壤含水量直接影响根际和土壤微生物活性,从而影响土壤DOC含量.多数研究表明,淹水能增加土壤DOC含量,淹水后森林土壤DOC含量增加60%~100%.但也有研究表明,土壤风干后DOC含量为田间湿度条件下的3~5倍,这可能是因为风干导致土壤微生物的死亡及团聚体结构的破坏,从而引起土壤活性碳组分含量增加,而湿润条件下较高的微生物活性使DOC的周转加快,导致DOC含量降低.土壤的干湿交替过程明显影响土壤DOC.经过两次风干、复水的循环后,土壤DOC含量增加2~5倍.干湿交替3个月后,0~2和2~15cm土层DOC浓度都明显增加.土壤干湿交替增加土壤DOC主要表现为两方面:1)频繁的干湿交替破坏土壤结构,改变土壤的理化性质,促进土壤中非溶解性有机质与微生物的接触,加速其分解而增加土壤中可溶性有机物含量;2)因为干燥过程中会引起微生物死亡,死亡的微生物产生大量的死细胞以及溶胞产物,当土壤再湿润时使DOC含量明显增加.4.2环境因素4.2.1不同气温土壤有效组分的土壤dna含量温度升高加速土壤有机碳的矿化,同时促进土壤DOC的释放.一般认为,土壤DOC含量随着土壤温度的季节性上升和微生物活性的增强而增加.例如,春、夏、秋季的土壤DOC含量高于冬季;挪威低纬度地区(年均气温5.5℃)云杉林地土壤DOC含量明显高于高纬度地区(年均气温1.2℃);我国广西肯福样区(年均气温19.9℃)土壤DOC含量是湖南盘塘样区(年均气温16.8℃)的1.8倍;德国巴伐利亚林地Oi层DOC浓度与温度显著相关,且Oi层、Oa层、20cm土层DOC含量均为1998年(年均气温8.3℃)高于1997年(年均气温7.6℃).这与较高温度延长植物的生长期,提高植物净初级生产力,增加植物生物量的形成速率,进而增加植物残体对土壤DOC的贡献密切相关.但Cookson等对不同类型土壤进行室内培养试验发现,5℃条件下土壤DOC含量均明显高于25℃,较高培养温度下微生物数量的增加及土壤呼吸的增强可能导致DOC含量降低.Chow等研究表明,3种培养温度(10、20和30℃)下土壤DOC含量相差不大,但整个培养过程中土壤有机碳的矿化量明显高于DOC的初始值,说明不仅DOC库而且土壤有机碳的其他库也参与了土壤有机碳的矿化.4.2.2co对土壤采用的影响自工业革命以来,大气中CO2浓度增加了100$L·L-1以上,是全球气候变暖和温度升高的主要贡献因素.鉴于土壤DOC在陆地生态系统碳循环中的作用,近几年,研究者开始关注CO2浓度升高对土壤DOC的影响.较多研究表明,CO2浓度升高时,土壤DOC含量略有增加,但差异不显著.CO2浓度连续4年升高以后,5~10cm土层土壤溶液中DOC浓度基本不变,同样说明CO2浓度升高对土壤溶液中DOC的影响较小.水稻生长期内,增加CO2浓度后表层(0~1cm)和亚表层(1~10cm)土壤DOC含量变化不大,但在厌氧且温度为30℃的培养条件下,土壤DOC含量随着CO2浓度的升高明显增加.英国3种湿地土壤DOC含量在增加CO2浓度条件下的增幅为14%~61%.这种变化主要是因为CO2浓度升高刺激植物的初级生产力,增强植物根系分泌物的产生量.但Ellis等对英国威尔士沼泽地的研究表明,升高CO2浓度后,土壤溶液中DOC含量降低8.5%.其原因可能是植物随着CO2浓度的升高刺激溶解性碳水化合物的产生,引起微生物生物量的增加,从而加速微生物对DOC的吸收利用,最终导致土壤DOC分解速度加快,使土壤DOC浓度降低.可见,CO2浓度升高对土壤DOC的影响在不同地区并不一致,这可能与土壤类型、植被、地理位置和土壤有机碳含量高低等有关.因此,加强CO2浓度升高对不同地区不同类型土壤DOC影响的研究,能进一步了解土壤DOC含量的变化在全球碳循环中的作用,以及土壤DOC对CO2浓度升高的响应.4.3自然活动4.3.1化肥对土壤可以持续增长的影响DOC是活性有机质和土壤有机碳分解过程的中间产物,大量DOC的存在能促进氮肥的固定,而氮肥施用的短时间内也能促进DOC含量的增加,但在有机碳达到基本稳定时,施用氮肥并不能进一步提高土壤DOC含量,长期的田间动态监测试验也证实了这一点.林地不同土层土壤溶液中DOC浓度对氮肥的响应不同,15cm处DOC浓度变化不大,而60cm处降低明显.这说明氮肥的施用一方面促进了15~60cm土层对DOC的固持,另一方面增强了土壤微生物活性,加速了对活性碳组分的消耗.但增加氮沉降后林地土壤DOC淋失量的增加幅度达30%,其原因是NO3-沉积改变了矿质土壤的吸附能力,降低土壤有机质作为DOC的汇功能,进而减少了土壤有机质的形成.可见,氮肥的施用对DOC的影响并没有明确的结论,氮肥施用下土壤DOC的周转有待进一步深入研究.4.3.2种植制度对土壤不同浓度影响不同的种植制度短期内即可引起土壤DOC的改变,其主要受作物种植和作物残体分解的影响.绿肥-早稻-晚稻(或小麦-早稻-晚稻)种植制度下土壤DOC浓度高于小麦-水稻(或小麦/玉米间作水稻)种植制度,高粱-小麦-大豆种植制度下土壤DOC含量明显高于小麦-大豆和大豆连作,这主要与三熟制有较多植物残体投入有关.种植豆科植物或豆科植物参与轮作,土壤DOC含量通常会增加,增加幅度达6~15mg·kg-1.其原因是豆科植物的生物固氮作用使其根和残茬的C/N较低,导致其分解较快,从而提高了土壤DOC含量.但总体上关于不同种植制度对DOC影响的研究仍较缺乏.4.3.3土壤采用土壤肥力稳定的生物生态学检测指标随着全球人口数量和粮食需求的增加,大量的森林、草地、湿地和撂荒地被开垦为农田,加速了土壤有机碳的分解,引起土壤DOC含量的迅速减少.如草甸土壤开垦耕作1年后,土壤DOC含量仅为未开垦土壤的45%,而且随着耕作年限的增加,DOC含量逐渐减少.我国三江平原湿地耕作1~15年后,土壤DOC含量减少55%~73%.甘肃高山区草地耕作28年后表层(0~10cm)土壤DOC含量降低40%,10~30cm土层降低11%~16%.德国东北部的退化